(57)【要約】  【課題】  音響整合層を含む超音波トランスデューサにおいて、送信された超音波の被検体への伝搬効率をさらに向上させると共に、超音波トランスデューサ内における多重反射に起因するノイズを低減する。  【解決手段】  超音波トランスデューサにおいて、超音波を送受信する振動子を形成する圧電体層１０と被検体との間において音響インピーダンスを整合させる音響整合層１４であって、互いに音響インピーダンスの異なる複数の材料を用い、該複数の材料の混合割合を堆積された膜の厚さに応じて変化させながら成膜を行うことにより形成されている。【選択図】  図１
2006101204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波トランスデューサにおいて、超音波を送受信する振動子を形成する圧電体層と被検体との間において音響インピーダンスを整合させる音響整合層であって、
互いに音響インピーダンスの異なる複数の材料を用い、前記複数の材料の混合割合を堆積された膜の厚さに応じて変化させながら成膜を行うことにより形成された前記音響整合層。
【請求項２】
原料の粉体を前記圧電体層又は前記圧電体層上に配置された電極層に吹き付けて堆積させるエアロゾルデポジション法を用いて成膜を行うことにより形成された請求項１記載の音響整合層。
【請求項３】
前記複数の材料の混合割合が、下層からの距離に応じて段階的に変化している、請求項１又は２記載の音響整合層。
【請求項４】
前記複数の材料の混合割合が、下層からの距離に応じて連続的に変化している、請求項１又は２記載の音響整合層。
【請求項５】
被検体に対して超音波を送受信する超音波トランスデューサであって、
圧電体層と、
前記圧電体層又は前記圧電体層上に配置された電極層上に形成された音響整合層であって、請求項１〜４のいずれか１項記載の音響整合層と、
を具備する超音波トランスデューサ。
【請求項６】
超音波トランスデューサにおいて、超音波を送受信する振動子を形成する圧電体層と被検体との間における音響インピーダンスを整合させる音響整合層の製造方法であって、
前記音響整合層の第１の原料である第１の粉体を第１の容器に収納し、前記第１の粉体を含むエアロゾルを生成する工程（ａ）と、
前記第１の原料と音響インピーダンスが異なる前記音響整合層の第２の原料である第２の粉体を容器に収納し、前記第２の粉体を含むエアロゾルを生成する工程（ｂ）と、
工程（ａ）において生成されたエアロゾルを噴射ノズルから噴射して第１のエアロゾルビームを生成し、該第１のエアロゾルビームに対して気体を噴射又は吸引することにより、第１のエアロゾルビームの噴射圧力を制御する工程（ｃ）と、
工程（ｂ）において生成されたエアロゾルを噴射ノズルから噴射して第２のエアロゾルビームを生成し、該第２のエアロゾルビームに対して気体を噴射又は吸引することにより、第２のエアロゾルビームの噴射圧力を制御する工程（ｄ）と、
第１及び第２のエアロゾルビームを前記圧電体層又は前記圧電体層上に形成された電極層上の同一領域に向けて噴射することにより、前記第１及び第２の原料を所定の割合で前記圧電体層又は前記電極層上に堆積させる工程（ｅ）と、
を具備する音響整合層の製造方法。
【請求項７】
ステップ（ｃ）及び（ｄ）の各々が、前記圧電体層又は前記電極層上に堆積する前記第１の原料と前記第２の原料との割合Ｍ：Ｎを、Ｍ≧０、Ｎ≧０の範囲で変化させるように、第１及び第２のエアロゾルビームの噴射圧力をそれぞれ変化させることを含む、請求項６記載の音響整合層の製造方法。
【請求項８】
ステップ（ｃ）及び（ｄ）の各々が、前記割合を、前記第１及び第２の原料が堆積した厚さに応じて段階的に変化させるように、第１及び第２のエアロゾルビームの噴射圧力をそれぞれ変化させることを含む、請求項７記載の音響整合層の製造方法。
【請求項９】
ステップ（ｃ）及び（ｄ）の各々が、前記割合を、前記第１及び第２の原料が堆積した厚さに応じて連続的に変化させるように、第１及び第２のエアロゾルビームの噴射圧力をそれぞれ変化させることを含む、請求項７記載の音響整合層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波用探触子において、超音波の送受信を行う振動子と被検体との間の音響インピーダンスを整合させるために用いられる音響整合層及びその製造方法、並びに、振動子及び音響整合層を含む超音波トランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１３に、一般的な超音波診断装置において用いられている超音波用探触子の構造を示す。超音波用探触子１００は、超音波の送信及び受信を行う複数の振動子１０１を含んでいる。振動子１０１としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinyl difluoride）に代表される高分子圧電材料等を含む圧電体１０２に、電極１０３が取り付けられた圧電素子が用いられる。各電極１０３は、リード線１０４を介して、超音波診断装置本体に含まれる電子回路に接続されている。
【０００３】
振動子１０１の後方（超音波の送信方向の反対側）には、バッキング層１０５が設けられている。バッキング層１０５は、超音波を吸収して速やかに減衰させることにより、探触子内における超音波の多重反射に起因するノイズを抑制する。バッキング層１０５としては、エポキシ樹脂やゴム等のように、超音波を吸収し易い材料が用いられる。
【０００４】
また、振動子１０１の前方（超音波の送信方向側）には、音響整合層１０６が配置されている。さらに、音響整合層１０６の前方には、超音波を集束することによって所望の深度に焦点を形成するために、シリコンゴム等の音響レンズ材１０７が配置されている。
【０００５】
ここで、振動子の材料としてＰＺＴのようなセラミックス体を用いる場合には、被検体である生体と振動子との間における音響伝搬性が大きく異なってしまうので、送信された超音波の多くの割合が、それらの境界において反射されてしまう。その結果、超音波を被検体の内部に効率良く伝搬させることができなくなったり、反射された超音波が振動子の内部において多重反射することによりノイズを生じさせてしまう。そこで、一般的な超音波用探触子においては、音響整合層として、超音波トランスデューサと生体との間に、それらの間の音響インピーダンス（音響インピーダンス＝物質の密度×超音波の速度）を有する部材を配置することにより、超音波の伝搬損失やノイズの低減を図っている。なお、振動子の材料として一般的なＰＺＴの音響インピーダンスは３５ＭＲａｙｌ程度であり、生体の音響インピーダンスは１．５ＭＲａｙｌ程度である。
【０００６】
一般に、音響整合層を含む超音波トランスデューサを作製する際には、振動子と音響整合層とが、接着剤や、音響整合層の材料自体の接着性を利用して互いに張り合わせられる。この接着剤としては、一般に、エポキシ系、ウレタン系、シリコン系等の音響インピーダンスが比較的小さいもの（例えば、２ＭＲａｙｌ〜５ＭＲａｙｌ程度）が用いられている。そのため、接着剤の存在そのものや、接着剤を塗布する際に生じた接着ムラが、振動子と音響整合層との間における超音波の透過に影響を及ぼすという問題が生じている。
【０００７】
また、従来、音響整合層としては、音響インピーダンスが４ＭＲａｙｌ〜５ＭＲａｙｌ程度の部材や、音響インピーダンスが１０ＭＲａｙｌ程度の材料と、音響インピーダンスが２ＭＲａｙｌ〜３ＭＲａｙｌ程度の材料とを順次積層した部材が用いられる場合が多い。超音波の反射率は、互いに接する２つの物質の音響インピーダンスの差が大きいほど高くなるので、後者のように、振動子と被検体との間で音響インピーダンスを段階的に変化させる方が、超音波の伝搬損失やノイズを効果的に低減することができる。
【０００８】
一方、振動子から発生した超音波は、音響整合層を伝搬する間に少なからず減衰するので、伝搬距離を短くするために、音響整合層の厚さをなるべく薄くする方が望ましい。しかしながら、音響整合層全体を厚くすることなく、音響整合層を構成する層の数を増やすためには、各層を薄くしなければならないので、材料を薄く加工して張り合わせる等の手間がかかる上に、製造歩留まりが低いのが問題となっている。また、複数の層を張り合わせる際には、接着剤が用いられる場合が多いので、音響整合層内の層間においても超音波の反射が生じてしまう。さらに、所望の音響インピーダンスを有すると共に、超音波を吸収し難く、且つ、上記のような製造工程に耐え得る材料の選定も困難である。そのような事情から、現状では、音響整合層を構成する層の数を２〜３層とするのが限界である。
【０００９】
ところで、近年、エアロゾルデポジション（aerosol deposition）法（以下、ＡＤ法ともいう）と呼ばれる成膜方法の研究が進められている。ＡＤ法とは、原料の粉体（成膜粉）を含むエアロゾルを生成し、それをノズルから噴射して基板に吹き付けることにより成膜する方法である。ここで、エアロゾルとは、気体中に浮遊している固体や液体の微粒子のことをいう。なお、ＡＤ法は、噴射堆積法、又は、ガスデポジション法とも呼ばれている。ＡＤ法においては、高速で噴射された原料の粉体が下層に衝突して食い込むと共に破砕し、その際に生じた破砕面が下層に付着するというメカニズムで成膜が為される。この成膜メカニズムは、メカノケミカル反応と呼ばれており、この反応により、不純物を含まない、緻密で強固な膜を形成することが可能になる。そのため、このような特殊な成膜メカニズムを活かした新たな材料開発や、様々なアプリケーションへの適用が期待されている。
【００１０】
特許文献１には、有機バインダーを使用することなく圧電セラミックスを製造すると共に、接着剤を用いず、また裁断工程を必要とすることなく、高性能なトランスデューサを高歩留まりで生産するために、ＡＤ法を用いることが開示されている。即ち、圧電素子層、音響整合層およびダンピング層を基本構成要素とする超音波トランスデューサにおいて、上記圧電素子層は、複数の圧電素子と電極とを、超微粒子を噴射堆積することによって積層した積層圧電素子である（第１頁）。
【００１１】
また、特許文献１には、ＡＤ法を用いて音響整合層を作製すること（第３頁）や、音響整合層用のノズル及び材料超微粒子を複数用いることにより、多層の音響整合層を持つ超音波トランスデューサを形成すること（第４頁）についても示唆されている。
しかしながら、ＡＤ法によって良質な膜を形成するためには、成膜粉の種類に応じたエアロゾルの噴射圧力、基板の硬さ、成膜温度等の成膜条件を整えることが重要となるので、音響整合層を構成する層を形成する毎にノズルを交換すると、上記の成膜条件が整うまでに時間を要してしまい、効率が悪い。また、音響整合層を構成する層の数（即ち、材料の種類）に応じてノズルを用意するとすれば、装置が複雑且つ大掛かりとなってしまう。
【特許文献１】特許第３３５６８２０号公報（第１頁、第３頁、第４頁）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上記の点に鑑み、本発明は、音響整合層を含む超音波トランスデューサにおいて、超音波の被検体に対する伝搬効率をさらに向上させると共に、超音波トランスデューサ内における多重反射に起因するノイズを低減することができる音響整合層及びその製造方法、並びに、そのような音響整合層を含む超音波トランスデューサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明に係る音響整合層は、超音波トランスデューサにおいて、超音波を送受信する振動子を形成する圧電体層と被検体との間において音響インピーダンスを整合させる音響整合層であって、互いに音響インピーダンスの異なる複数の材料を用い、該複数の材料の混合割合を堆積された膜の厚さに応じて変化させながら成膜を行うことにより形成されている。
【００１４】
また、本発明に係る音響整合層の製造方法は、超音波トランスデューサにおいて、超音波を送受信する振動子を形成する圧電体層と被検体との間における音響インピーダンスを整合させる音響整合層の製造方法であって、音響整合層の第１の原料である第１の粉体を第１の容器に収納し、第１の粉体を含むエアロゾルを生成する工程（ａ）と、第１の原料と音響インピーダンスが異なる上記音響整合層の第２の原料である第２の粉体を容器に収納し、第２の粉体を含むエアロゾルを生成する工程（ｂ）と、工程（ａ）において生成されたエアロゾルを噴射ノズルから噴射して第１のエアロゾルビームを生成し、該第１のエアロゾルビームに対して気体を噴射又は吸引することにより、第１のエアロゾルビームの噴射圧力を制御する工程（ｃ）と、工程（ｂ）において生成されたエアロゾルを噴射ノズルから噴射して第２のエアロゾルビームを生成し、該第２のエアロゾルビームに対して気体を噴射又は吸引することにより、第２のエアロゾルビームの噴射圧力を制御する工程（ｄ）と、第１及び第２のエアロゾルビームを上記圧電体層又は上記圧電体層上に形成された電極層上の同一領域に向けて噴射することにより、第１及び第２の原料を所定の割合で上記圧電体層又は上記電極層上に堆積させる工程（ｅ）とを具備する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、音響整合層における音響インピーダンスを、厚さ方向に傾斜して変化させるので、音響インピーダンスの不整合に起因する不要な反射を効率良く低減することができる。従って、超音波の伝搬効率を向上させると共にノイズを低減させることができるので、超音波画像の生成効率や画質を向上することができる。また、本発明によれば、そのような音響整合層を、エアロゾルデポジション法を用い、複数の原料の混合割合を変化させることによって形成するので、音響インピーダンスが段階的に変化する複数の層を含む音響整合層や、音響インピーダンスが連続的に変化する音響整合層を、接着剤を用いることなく、容易且つ効率的に作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る音響整合層を含む超音波トランスデューサを示す断面図である。図１に示す超音波トランスデューサ１は、圧電体１０の両端に電極１１及び１２が形成された振動子１３と、電極１１を介して振動子１３に積層された音響整合層１４とを含んでいる。また、超音波トランスデューサ１は、振動子１３における音響整合層１４とは反対側の面に配置されているバッキング層１５を含んでも良い。
【００１７】
圧電体１０としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：polyvinylidene difluoride）に代表される高分子圧電素子等を用いることができ、本実施形態においては、ＰＺＴ（音響インピーダンス：約３５ＭＲａｙｌ）を用いている。この圧電体１０の両端に形成された電極１１及び１２に、パルス状の電気信号又は連続波の電気信号を送って電圧を印加すると、圧電体１０が伸縮して超音波を発生する。また、圧電体１０は、伝搬する超音波を受信することにより伸縮して電気信号を発生する。この電気信号は、電極１１及び１２並びにそれらの電極と接続された配線を介して、超音波受信信号として出力される。
電極１１及び１２の材料としては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）等の金属又はそれらの金属を含む合金等を用いることができ、本実施形態においては、白金が用いられている。
【００１８】
本実施形態に係る音響整合層１４は、互いに異なる組成を有する複数の層１４ａ、１４ｂ、…を含んでいる。これらの層１４ａ、１４ｂ、…は、後述するＡＤ法により接着剤等を用いることなく振動子１３や下層の上に直接形成されており、音響インピーダンスが厚さ方向に段階的に変化するように配置されている。なお、図１には、５層構成の音響整合層１４が示されているが、層の数は２層以上であれば何層でも構わない。本実施形態において、層１４ａは、ＰＺＴによって形成されており、層１４ｅは、音響インピーダンスが比較的生体に近いポーラスアルミナによって形成されている。また、層１４ｂ〜１４ｄは、ＰＺＴ及びポーラスアルミナを含んでおり、層１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの順に、ＰＺＴが次第に減少し、ポーラスアルミナが次第に増加するように、それらの混合割合が決定されている。
【００１９】
バッキング層１５は、超音波トランスデューサ１３の背面（超音波送信方向の反対側の面）から発生した超音波を速やかに減衰させ、超音波用探触子内におけるノイズを低減させるために設けられている。バッキング層１５は、ポリイミド樹脂や、金属粉入りエポキシ樹脂や、フェライト粉入りゴムのように、超音波を吸収し易い材料によって形成されている。
【００２０】
次に、本実施形態に係る音響整合層の製造方法について、図２〜図５を参照しながら説明する。本実施形態において製造される音響整合層は、図１に示す振動子１３上に形成される。
図２は、本実施形態に係る音響整合層を製造する際に用いられる成膜装置の構成を示す模式図である。この成膜装置は、原料の粉体（成膜粉）を下層に吹き付けて堆積させるエアロゾルデポジション（ＡＤ）法を用いている。
【００２１】
図２に示す成膜装置は、成膜が行われる成膜チャンバ２０と、成膜チャンバ２０内を排気することにより所定の真空度に維持する排気ポンプ２１と、膜が形成される基板２２を保持する基板ステージ２３とを含んでいる。基板ステージ２３は、３次元的に移動する可動ステージであり、後述する制御部３１の制御の下で移動することにより、成膜対象領域を変化させる。
【００２２】
また、この成膜装置は、第１のエアロゾル生成室２４ａ及び第２のエアロゾル生成室２４ｂと、第１のエアロゾル搬送ライン２５ａ及び第２のエアロゾル搬送ライン２５ｂと、第１の噴射ノズル２６ａ及び第２の噴射ノズル２６ｂと、第１のコンプレッサ（圧縮ポンプ）２７ａ及び第２のコンプレッサ２７ｂと、第１のエア供給ライン２８ａ及び第２のエア供給ライン２８ｂと、第１の制御弁２９ａ及び第２の制御弁２９ｂと、第１のサイドノズル３０ａ及び第２のサイドノズル３０ｂと、制御部３１とを含んでいる。
【００２３】
エアロゾル生成室２４ａ及び２４ｂは、原料の微小な粉体（成膜粉）が配置される容器である。エアロゾル生成室２４ａ及び２４ｂには、ガスボンベ等の圧縮ガス供給ラインがそれぞれ接続されており、そこから窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、又は、乾燥空気等のキャリアガスが導入される。それにより、エアロゾル生成室２４ａ及び２４ｂにおいて、成膜粉が吹き上げられてエアロゾルが生成される。エアロゾル生成室２４ａ及び２４ｂにおいてそれぞれ生成されたエアロゾルは、エアロゾル搬送管２５ａ及び２５ｂを介して成膜チャンバ２０に導入され、噴射ノズル２６ａ及び２６ｂから基板２７に向けてそれぞれ噴射される。噴射ノズル１２ａ及び１２ｂの開口の向きは、それぞれのノズルから噴射されたエアロゾルが、基板２７の成膜面において重なるように調節されている。
【００２４】
コンプレッサ２７ａは、エア供給ライン２８ａを介してサイドノズル３０ａにエアを圧送する。エア供給ライン２８ａには、制御部３１の制御の下で動作する制御弁２９ａが設けられており、これにより、サイドノズル３０ａへのエアの供給が調節される。同様に、コンプレッサ２７ｂは、制御弁２９ｂが設けられたエア供給ライン２８ｂを介して、サイドノズル３０ｂにエアを圧送する。
【００２５】
図３は、図２に示す噴射ノズルとサイドノズルとの位置関係を説明するための図である。ここで、図３には、図２の噴射ノズル及びサイドノズルを含む領域を、図の左側から見た様子が示されているため、噴射ノズル２６ｂ及びサイドノズル３０ｂが示されている。しかしながら、噴射ノズル２６ａ及びサイドノズル３０ａも、図２と同様の位置関係となるように配置されている。
【００２６】
図３に示すように、噴射ノズル２６ｂ及びサイドノズル３０ｂは、ノズルガイド３２によって支持されている。サイドノズル３０ｂは、噴射ノズル２６ｂの開口付近に配置されており、噴射ノズル２６ｂから噴射されたエアロゾルに向けて、気体、例えば、エアを吹き付ける。
【００２７】
ここで、ＡＤ法による成膜を行うためには、成膜粉の種類、基板等に吹き付けられるエアロゾル（エアロゾルビーム）の圧力（成膜粉の噴射圧力）、基板の硬さ等の基板条件、成膜温度の４つの条件がバランス良く満たされている必要がある。これらの条件の内の１つでも欠けてしまうと、形成された膜の性能が変化してしまったり、成膜速度が低下したり、或いは、成膜そのものがされなくなってしまう。そこで、エアロゾルにエアを吹き付けてエアロゾルの気流を擾乱させることにより、上記の４つの条件の内、成膜粉の噴射圧力に関する条件を変化させて、噴射圧力を制御する。それにより、成膜粉が基板等に堆積するのを妨げたり、堆積可能な成膜粉の割合を減少させることができる。反対に、エアの吹き付けを停止したり、エアの噴出量又は噴出速度を減らして、成膜条件に適合する元の成膜粉噴射圧力が速やかに回復させることにより、成膜粉の堆積を再開させたり、堆積可能な成膜粉の割合を増加させることができる。
【００２８】
図３に示すように、サイドノズル３０ｂから噴射されるエアの方向は、エアロゾルの進行方向に対して方向余弦を有する方向であることが望ましい。即ち、図３の（ａ）に示すように、エアロゾルビームの進行方向に対して、エアが負の速度成分を有している場合や、図３の（ｂ）に示すように、エアロゾルの進行方向に対して、エアが正の速度成分を有している場合には、エアロゾルが有する基板方向への速度成分を変化させることができるので、上記の成膜粉噴射圧力に関する条件を効果的に変化させることができる。
再び、図２を参照すると、制御部３１は、形成する膜パターンに応じて、基板ステージ２３と噴射ノズル２６ａ及び２６ｂとの相対的位置を制御すると共に、制御弁２９ａ及び２９ｂの開閉を制御する。
【００２９】
図４及び図５は、本実施形態に係る音響整合層の製造方法を説明するための図である。
まず、ＰＺＴ部材１０に電極層１１を形成したものを用意し、図４の（ａ）に示すように、電極層１１側を成膜面として、図２に示す基板ステージ２３にセットする。ＰＺＴ部材１０としては、ＰＺＴ板材を用いても良いし、ＡＤ法によってＰＺＴ厚膜を形成し、必要に応じてそれを熱処理したものを用いても良い。また、電極層１１は、ＰＺＴ部材１０上に、例えば、スパッタリングや真空蒸着法を用いて、白金等の導電膜を成膜することによって形成される。なお、電極層１１の厚さは、２００ｎｍ〜３００ｎｍ以上とすることが望ましい。その理由は、電極層１１の上にＡＤ法による成膜を行う場合には、原料の粉体を下層に吹き付ける際に粉体が下層に食い込むアンカーリングと呼ばれる現象が生じるので、通常のアンカーリングの深さ１０ｎｍ〜３００ｎｍ程度を考慮すると、電極層として良好に機能させるためには、上記程度の厚さが必要となるからである。さらに、成膜チャンバ２０内を所定の温度に保つと共に、排気ポンプ２１を用いて所定の真空度まで排気する。
【００３０】
次に、図２に示す成膜装置において、音響整合層を作製するための２種類の成膜粉の内で、一方（材料Ａ）をエアロゾル生成室２４ａに配置し、他方（材料Ｂ）をエアロゾル生成室２４ｂに配置する。材料Ａとしては、例えば、マグネシウム（約１０．０ＭＲａｙｌ）、シリカ（ＳｉＯ２、約１２ＭＲａｙｌ〜約１５ＭＲａｙｌ）、水晶、ガラス（約１３ＭＲａｙｌ〜約１５ＭＲａｙｌ）、大理石（約１６ＭＲａｙｌ）、ＰＺＴ（約３５ＭＲａｙｌ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３、約４０ＭＲａｙｌ）等のように、音響インピーダンスが比較的振動子（ＰＺＴ）に近い材料が用いられる。また、材料Ｂとしては、ポーラスシリカ、ポーラスアルミナ等のように、音響インピーダンスが比較的生体に近い材料が用いられる。これらのポーラス体の音響インピーダンスは、そこに含まれる空孔の度合いによって異なるが、通常は、上記シリカやアルミナの音響インピーダンスの０．１倍〜１．０倍程度の範囲である。本実施形態においては、材料ＡとしてＰＺＴを用い、材料Ｂとしてポーラスアルミナを用いている。さらに、エアロゾル生成室２４ａ及び２４ｂにおいて、エアロゾルの生成をそれぞれ開始する。
【００３１】
次に、制御弁２９ａ及び２９ｂを開いてサイドノズル３０ａ及び３０ｂからエアを噴出させると共に、エアロゾル生成室２４ａ及び２４ｂにおいて生成されたエアロゾルを噴射ノズル２６ａ及び２６ｂにそれぞれ導入して噴射させる。それにより、図４の（ａ）に示すように、噴射ノズル２６ａから噴射されたエアロゾルと、噴射ノズル２６ｂから噴射されたエアロゾルとは、サイドノズル３０ａ及び３０ｂから噴出するエアによってそれぞれ擾乱される。
【００３２】
次に、図２に示す制御弁２９ａを閉じることにより、図４の（ｂ）に示すように、噴射ノズル２６ａから噴射されるエアロゾルの噴射圧力を回復させる。そして、基板ステージ２３を移動させながら、エアロゾルビーム３３ａを電極層１１上に吹き付けることにより、所定の厚さを有するＰＺＴの層１４ａを形成する。
【００３３】
次に、図２に示す制御弁２９ａを所定の量だけ開くと共に、制御弁２９ｂを所定の量だけ閉じることにより、図４の（ｃ）に示すように、エアロゾルビーム３３ａ及び３３ｂの噴射圧力が所定の比となるように調整する。それにより、成膜面において、ＰＺＴとポーラスアルミナとが混合されて堆積する。さらに、基板ステージ２３を移動させることにより、層１４ａ上に、所定の厚さを有し、所定の割合Ｍ：Ｎ（例えば、Ｍ＞Ｎ）で混合されたＰＺＴ及びポーラスアルミナを含む層１４ｂを形成する。
【００３４】
続いて、図２に示す制御弁２９ａを徐々に開くと共に、制御弁２９ｂを徐々に閉じることにより、図５の（ａ）及び（ｂ）に示すように、エアロゾルビーム３３ａの噴射圧力を次第に抑制し、反対に、エアロゾルビーム３３の噴射圧力を次第に回復させる。それにより、ＰＺＴとポーラスアルミナが所定の割合Ｍ：Ｎで混合された層１４ｃ（例えば、Ｍ＝Ｎ）及び１４ｄ（例えば、Ｍ＜Ｎ）を順次形成する。層１４ｂ〜１４ｄにおいては、ＰＺＴの混合割合が次第に減少し、それに伴い、ポーラスアルミナの混合割合が次第に増加する。なお、図４の（ｃ）〜図５の（ｂ）においては、説明のために、エアロゾルビーム３３ａ及び３３ｂの噴射圧力の比を３段階に変化させているが、噴射圧力の比の変化の度合いを小刻みにすることにより、さらに多数の層を形成することが可能である。
【００３５】
次に、図２に示す制御弁２９ａを全開にすると共に、制御弁２９ｂを完全に閉じることにより、図５の（ｃ）に示すように、噴射ノズル２６ａから噴射されるエアロゾルを遮断し、エアロゾルビーム３３ｂの噴射圧力を回復させる。それにより、層１４ｄ上に、所定の厚さを有するポーラスアルミナの層１４ｅを形成する。なお、２層構成の音響整合層を作製する場合には、図４の（ｂ）に示すように、１種類の材料を用いて第１層目を形成したあと、２種類の材料を混合して成膜する工程を省いて、図５の（ｃ）に示すように、もう一方の材料を用いて第２層目を形成すれば良い。
【００３６】
このようにして層１４ａ〜１４ｅを含む音響整合層１４を形成した後で、ＰＺＴ部材１０を基板ステージ２３から取り外し、ＰＺＴ部材１０の電極層１１の反対側に、スパッタリングや真空蒸着法を用いて電極層１２（図１）を形成し、さらに、バッキング層１５を配置する。これにより、音響整合層１４及びバッキング層１５を含む超音波トランスデューサ１が作製される。なお、バッキング層１５を配置する際には、接着剤を用いてエポキシ樹脂等の吸音材を電極層１２に貼り付けても良いし、ＡＤ法を用いて電極層１２上に吸音材の厚膜を形成しても良い。後者の場合には、接着剤に起因する超音波の反射を抑制することができるので、バッキング層１５による超音波の減衰効果を高めることができる。
【００３７】
図６は、図１に示す音響整合層１４を構成する層の数と、振動子と生体との間における超音波の透過率との関係を、計算により求めた結果を示している。図６に示すように、音響整合層を配置しない場合（層の数＝０）に透過率が約８％であるのに対して、接着剤を介することなく音響整合層を設けることにより、透過率は増加している。例えば、１層構成の音響整合層（層の数＝１）の場合には、透過率は約１２％となり、約１．５倍に増加している。また、従来、技術上の問題により限界とされてきた２層構成の音響整合層の場合には、透過率は約１４％であるが、層の数を１０に増やすことにより、透過率は約１８．５％（０層の場合の約２．３倍、２層の場合の約１．３倍）まで上昇し、層の数を３０に増やすことにより、透過率は約２０％（０層の場合の約２．５倍、２層の場合の約１．４倍）まで上昇する。ここで、透過率は、超音波の送信時及び受信時の双方に影響を与えるので、例えば、透過率が２倍上昇すると、往路及び復路で超音波の透過効率が４倍（２倍×２倍）に向上することを意味する。即ち、送受信の感度に換算すると、１２ｄＢ程度上昇するので、超音波画像の画質を各段に向上させることができる。そのような多数の層を含む音響整合層は、本実施形態に係る音響整合層の製造方法を用いることにより、容易に作製することができる。
【００３８】
図７は、複数の層によって構成される音響整合層における音響インピーダンスの理想的な分布を４端子計算によって求めた結果を示す図である。音響整合層を構成する複数の層の音響インピーダンスは、層の厚さ方向にリニアに変化させるのではなく、図７に示すように分布させることが、最も効率が良く望ましい。例えば、音響整合層を３５層で構成する場合には、音響インピーダンスを、振動子（ＰＺＴ）に近い方から４層目において約２５ＭＲａｙｌ、１０層目において約１５ＭＲａｙｌ、２２層目において約５ＭＲａｙｌ、３５層目において約２ＭＲａｙｌとなるように変化させる。従来、所望の音響インピーダンスを有する材料を選定することは困難であったが、本実施形態に係る音響整合層の製造方法におけるように、異なる複数の材料の混合割合を変化させることにより、図７に示すような音響インピーダンスの分布を容易に実現することができる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態によれば、２つの噴射ノズルから噴射されたエアロゾルをそれぞれ擾乱させることにより、エアロゾルビームの噴射圧力を調節し、それらのエアロゾルビームを同一領域に吹き付けることにより、２種類の材料が所望の割合Ｍ：Ｎ（Ｍ≧０、Ｎ≧０）で混合された膜を効率良く形成することができる。ここで、Ｍ＝０又はＮ＝０の場合とは、噴射ノズル２６ａ及び２６ｂ（図２）の内の一方から噴射されるエアロゾルを遮断することにより、他方の噴射ノズルのみから成膜粉を下層に吹き付けることを表す。そのため、所望の音響インピーダンスをそれぞれ有する複数の層を、所望の数だけ、接着剤を用いることなく容易に積層することができる。従って、そのようにして作製された音響整合層を超音波トランスデューサに適用することにより、振動子と被検体との間における音響インピーダンスの不整合による反射を極力低減させることができる。そのため、超音波送受信時における感度を飛躍的に向上させることができる。また、音響整合層の内部における不要な散乱や反射も低減するので、超音波帯域を向上させることもできる。従って、本実施形態に係る音響整合層を含む超音波トランスデューサを用いることにより、超音波診断装置における超音波画像の生成効率や画質を向上させることができる。その結果、病変の早期発見等、医療診断における診断精度を向上させることができる。
【００４０】
ここで、本実施形態においては、噴射ノズルから噴射されたエアロゾルにエアを吹き付けることによりエアロゾルを擾乱させたが、反対に、サイドノズルからエアロゾルを吸引することによっても同様の効果を得ることができる。その場合には、図２に示すコンプレッサ２９ａ及び２９ｂの替わりに排気ポンプを設ければよい。なお、サイドノズルは、必ずしも図２に示すように噴射ノズルの開口の直近に配置する必要はなく、例えば、基板の直前や、エアロゾル搬送ラインの途中に配置しても良い。
【００４１】
また、本実施形態においては、２種類の原料の粉体を用いて音響整合層を作製しているが、３種類以上の原料の粉体を用いても良い。その場合には、図２に示す成膜装置に、粉体の種類の数に応じて、エアロゾル生成室、噴射ノズル、コンプレッサ、制御弁、及び、サイドノズルを設ければ良い。
【００４２】
さらに、本実施形態においては、音響整合層１４を構成する全ての層をＡＤ法によって形成しているが、一部においては接着剤を用いて隣接する層を張り合わせても構わない。例えば、音響整合層１４の内で、被検体に当接される側に近い領域の音響インピーダンスは、接着剤の音響インピーダンス（例えば、２ＭＲａｙｌ〜５ＭＲａｙｌ程度）と比較的近似する場合が多いので、そのような領域においては接着剤による不要な反射等の悪影響が少ないからである。
なお、本実施形態においては、圧電体層１０と音響整合層１４との間に白金の電極層１１を形成したが、音響整合層１４の圧電体層１０側（層１４ａ）に配置される材料としてマグネシウム等の金属を用いる場合には、電極層１１を設ける必要はない。
【００４３】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る音響整合層を含む超音波トランスデューサを示す断面図である。
図８に示す超音波トランスデューサ２は、振動子１３上に形成された音響整合層４０を含んでいる。本実施形態に係る音響整合層４０は、振動子１３側（図の下側）において、比較的圧電体層１０に近い音響インピーダンスＺ１を有しており、生体に当接される側（図の上側）において、比較的生体に近い音響インピーダンスＺ２を有している。また、それらの間において、音響インピーダンスは、Ｚ１からＺ２に向けて厚さ方向に傾斜しながら連続的に変化する。このように、音響整合層における音響インピーダンスを変化させることにより、音響整合層内部における超音波の反射をほとんど無くして、超音波の送受信感度及び帯域をさらに向上させることができる。
【００４４】
このような音響整合層は、本発明の第１の実施形態に係る音響整合層の製造方法と同様に図２に示す成膜装置を用いると共に、２つのエアロゾルビームの噴射圧力の比を調節する際に、制御弁２９ａ及び２９ｂの開閉を、膜厚に応じて連続的に変化させることにより作製することができる。
【００４５】
次に、本発明の第１又は第２の実施形態に係る音響整合層を含む超音波トランスデューサが複数配列された超音波トランスデューサアレイの製造方法について、図９及び図１０を参照しながら説明する。
まず、図９の（ａ）に示すように、ＰＺＴ層５０と、電極層５１と、音響整合層５２を含み、アレイに相当する面積を有する積層体５３を作製する。この積層体５３は、図４及び図５を用いて説明した超音波トランスデューサの製造方法と同様にして作製することができる。
【００４６】
次に、図９の（ｂ）に示すように、積層体５３に、音響整合層５２側から溝５４を形成する。その際に、ＰＺＴ層５０の途中まで溝５４に入れることにより、溝５４によって分けられた複数の超音波トランスデューサ５５の一部を繋げたままにしておく。
次に、図９の（ｃ）に示すように、溝５４にエポキシ樹脂等の充填材５６を注入して硬化させる。さらに、図９の（ｃ）に示す破線までＰＺＴ層５０を研磨することにより、複数の超音波トランスデューサ５５を互いに分離させる。これにより、図９の（ｄ）に示すように、複数の超音波トランスデューサ５５が１次元に配置された超音波トランスデューサアレイ５７が作製される。
【００４７】
また、図１０の（ａ）に示すように、超音波トランスデューサアレイ５７において、圧電体層５０の音響整合層５２が形成されていない方の面（図の上側）に、スパッタリングや真空蒸着等により電極層(共通電極)５８を形成し、図１０の（ｂ）に示すように、その上にバッキング層５９を配置する。なお、電極層５８を形成する替わりに、配線が形成された基板を配置しても良い。
さらに、各超音波トランスデューサ５５の電極層５１及び共通電極５８から配線を引き出すと共に、超音波トランスデューサアレイ５７を筐体に収納することにより、超音波用探触子が完成する。
【００４８】
次に、本発明の第１又は第２の実施形態に係る音響整合層を含む超音波トランスデューサが複数配列された超音波トランスデューサアレイの別の製造方法について、図１１及び図１２を参照しながら説明する。
まず、図１１の（ａ）に示すように、ＰＺＴ層６０と、電極層６１と、音響整合層６２と、電極層６３とバッキング層６４とを含み、アレイに相当する面積を有する積層体６５を作製する。この積層体６５は、図４及び図５を用いて説明した超音波トランスデューサの製造方法と同様にして作製することができる。
【００４９】
次に、図１１の（ｂ）に示すように、積層体６５に、バッキング層６４側から溝６６を形成する。その際に、音響整合層６２の途中まで溝６６に入れることにより、溝６６によって分けられた複数の超音波トランスデューサ６７の一部を繋げたままにしておく。
【００５０】
次に、図１２の（ａ）に示すように、溝６６にエポキシ樹脂等の充填材６８を注入して硬化させる。さらに、図１２の（ａ）に示す破線まで音響整合層６２を研磨することにより、複数の超音波トランスデューサ６７を互いに分離させる。これにより、図１２の（ｂ）に示すように、複数の超音波トランスデューサ６７が１次元に配置された超音波トランスデューサアレイ６９が作製される。
さらに、各超音波トランスデューサ６７の電極層６２及び６３から配線を引き出すと共に、超音波トランスデューサアレイを筐体に収納することにより、超音波用探触子が完成する。
【００５１】
ここで、図９及び図１１に示すように、上記の超音波トランスデューサの製造方法においては、積層体５３又は６５に、１つの方向に溝５４又は６６を形成することにより１次元超音波トランスデューサアレイを作製したが、異なる２つの方向に溝を形成することにより、２次元超音波トランスデューサアレイを作製しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、超音波用探触子において超音波の送受信を行う超音波トランスデューサにおいて利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る音響整合層を含む超音波トランスデューサの構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る音響整合層を製造する際に用いられる成膜装置の構成を示す模式図である。
【図３】図３に示す噴射ノズルとサイドノズルとの位置関係を説明するための模式図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る音響整合層の製造方法を説明するための図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る音響整合層の製造方法を説明するための図である。
【図６】音響整合層を構成する層の数と超音波の透過率との関係を示す図である。
【図７】複数の層によって構成される音響整合層における音響インピーダンスの理想的な分布を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る音響整合層を含む超音波トランスデューサの構成を示す断面図である。
【図９】本発明の第１又は第２の実施形態に係る音響整合層を含む超音波トランスデューサアレイの製造方法について説明するための図である。
【図１０】本発明の第１又は第２の実施形態に係る音響整合層を含む超音波トランスデューサアレイの製造方法について説明するための図である。
【図１１】本発明の第１又は第２の実施形態に係る音響整合層を含む超音波トランスデューサアレイの別の製造方法について説明するための図である。
【図１２】本発明の第１又は第２の実施形態に係る音響整合層を含む超音波トランスデューサアレイの別の製造方法について説明するための図である。
【図１３】従来の超音波用探触子の構造を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５４】
１、２、５５、６７  超音波トランスデューサ
１０、１０２  圧電体
１１、１２、１０３  電極
１３、１０１  振動子
１４、４０、５２、６２、１０６  音響整合層
１４ａ、１４ｂ、…  層
１５、５９、６４、１０５  バッキング層
２０  成膜チャンバ
２１  排気ポンプ
２２  基板
２３  基板ステージ
２４ａ、２４ｂ  エアロゾル生成室
２５ａ、２５ｂ  エアロゾル搬送ライン
２６ａ、２６ｂ  噴射ノズル
２７ａ、２７ｂ  コンプレッサ（圧縮ポンプ）
２８ａ、２８ｂ  エア供給ライン
２９ａ、２９ｂ  制御弁
３０ａ、３０ｂ  サイドノズル
３１  制御部
３２  ノズルガイド
３３ａ、３３ｂ  エアロゾルビーム
５０、６０  圧電体層
５１、５８、６１、６３  電極層
５３、６５  積層体
５４、６６  溝
５６、６８  充填材
５７、６９  超音波トランスデューサアレイ
１００  超音波用探触子
１０４  リード線
１０７  音響レンズ材
【図１】
2006101204.tif 000003
【図２】
2006101204.tif 000004
【図３】
2006101204.tif 000005
【図４】
2006101204.tif 000006
【図５】
2006101204.tif 000007
【図６】
2006101204.tif 000008
【図７】
2006101204.tif 000009
【図８】
2006101204.tif 000010
【図９】
2006101204.tif 000011
【図１０】
2006101204.tif 000012
【図１１】
2006101204.tif 000013
【図１２】
2006101204.tif 000014
【図１３】
2006101204.tif 000015